液煤油旋转爆震发动机塞式喷管设计及性能表征

《Acta Astronautica》：Plug-type nozzle design and performance characterization for liquid-kerosene rotating detonation engines

　　

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  首次实验验证了插塞式喷管在液态煤油旋转爆震发动机（RDE）中的应用
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  提出了一种基于等效面积法（EAP）的方法，用于评估非定常流动下喷管的膨胀状态
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  性能从过膨胀状态到设计点急剧提升，但在欠膨胀状态下趋于平缓
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  插塞式喷管在过膨胀状态下表现出更优的效率，挑战了稳态流动设计准则

引言

爆震波是一种超音速燃烧波，由激波与化学反应的强烈耦合产生。其极高的释热率使爆震燃烧接近定容燃烧[1]，使其成为未来高性能、宽速域、宽高度航空航天推进系统的一个极具前景的候选方案[2]。作为产生推力的关键部件，喷管在将推进剂化学能转化为机械能方面起着至关重要的作用，其性能直接决定了爆震燃烧潜力转化为实际应用的程度。然而，由于爆震流场固有的非定常特性以及周期性压力振荡的存在，旋转爆震发动机（RDE）的喷管设计长期以来一直是一个巨大的挑战。

近年来，RDE重新受到广泛关注，爆震燃烧室方面开展了大量研究。早期实验研究主要采用高反应性气体燃料来考察爆震波的引发和稳定传播[3]、[4]、[5]。研究人员探索了各种喷注器构型[6]、[7]和燃烧室几何形状[8]、[9]、[10]，以阐明它们对爆震波稳定性的影响。后续研究集中于传播模式和特性，揭示了单波模式[11]、[12]、[13]，双波对撞模式[14]、[15]、[16]，混合模式[17]、[18]、[19]，多波模式[18]、[19]、[20]、[21]以及轴向脉冲爆震[22]、[23]、[24]等现象。随着对气体燃料旋转爆震认知的深入，由于液态燃料在运输、储存和整体工程适用性方面的优势，开始被考虑用于RDE。然而，与气体燃料相比，液态燃料反应性较低，不易在燃烧室内实现稳定的旋转爆震。早期尝试液态燃料时，常向主液态燃料中添加高反应性气体（如氢气）以确保成功引发[25]、[26]。另一种方法是提高氧化剂中的氧含量，Bykovskii等人[27]、[28]、[29]对此进行了探索；例如，他们使用液态煤油和50%氧气与50%氮气的混合气作为氧化剂进行了实验。为了确定液态燃料成功引发爆震的关键因素，Wolański等人[30]采用Jet-A燃料研究了蒸发和雾化过程，这些过程对于建立稳定的爆震波至关重要。Zheng等人[31]、[32]使用高温富氧空气（35%氧气）和煤油作为推进剂进行了RDE实验，研究了爆震稳定性，并记录了运行过程中的各种模式转换。此外，Xu等人[33]和Han等人[34]在室温条件下实现了液态煤油旋转爆震波的自持传播，研究了淬灭和再引发机制，发现提高推进剂供应压力可以有效抑制不稳定爆震现象的发生。

爆震流场的一个显著特征是由于爆震波和斜激波在燃烧室内高频旋转，流场稳定性差，导致周期性压力振荡。实验中在燃烧室出口处检测到了周期性压力脉动[35]。数值模拟也展示了爆震燃烧室出口处的压力波动和流场特征[36]。这种不稳定的压力振荡对RDE的喷管设计构成了重大挑战。传统喷管设计理论旨在喷管上游具有稳定的总压，以有效加速和膨胀通过喷管的气流至环境压力，从而最大化推力。然而，爆震流场并不满足这一要求。此外，典型的爆震燃烧室采用环形构型，这与主流的钟形喷管构型不匹配。因此，早期RDE喷管设计研究并未关注效率，而是进行了初步研究，例如在环形燃烧室后部添加不同角度锥角的气体锥尖，以考察爆震流场的变化及由此产生的推进性能[37]、[38]。或者通过增加阻塞比来改变环形燃烧室出口处的气流面积[39]、[40]。还规定了收缩比和膨胀比，并采用拉瓦尔喷管构型研究推进性能的变化[41]、[42]，这些方法已被证明可使性能提升3%至25%。

事实上，不同的后部喷管构型确实给RDE性能带来了变化，并凸显了后部构型对爆震燃烧室性能的重要作用。然而，这些喷管设计方法大多依赖经验规则，缺乏可靠的设计准则，使得喷管的实际性能与理论性能难以进行有效比较，从而阻碍了RDE潜力的探索。对于环形燃烧室，插塞式喷管因其单侧约束的气流锥尖结构而具有较高的兼容性，使其在结构上与环形燃烧室良好匹配[43]。此外，插塞式喷管具有高度的自适应补偿特性，能够通过自调节自由反射面来适应不同的环境压力，这对爆震流场的压力振荡特性也提供了一定的补偿作用。因此，与主流的钟形喷管相比，插塞式喷管似乎是环形RDE的更佳选择。在实验研究中，Zhu等人[44]将插塞式喷管应用于气态乙烯燃料RDE，实现了推力-比冲增益超过100%。然而，目前尚无关于插塞式喷管在液态燃料RDE中成功应用的相关报道。此外，插塞式喷管是针对稳态流场设计的，而爆震流场则具有高度非定常性。将插塞式喷管设计准则应用于爆震流场时是否存在优化空间，仍然是一个开放性问题，这也是一个非常重要且有价值的问题。

上述综述研究主要集中在爆震波引发、传播模式和稳定性，以及气态RDE的喷管构型方面，而液态燃料RDE的后部流道——它最终决定了有多少爆震能转化为推力——却受到远少于此程度的关注。近期研究已开始从进气侧考察可运行性：Qiu等人[45]研究了爆震波对连续进气调节的滞后响应，Kang等人[46]建立了进气阻塞的预测模型，Song等人[47]评估了特斯拉RDC的运行和性能。这些研究阐明了进气侧的可运行性，但未涉及喷管及其非设计工况行为，这正是本研究要填补的空白。

在此背景下，本研究首次将插塞式喷管实验应用于液态煤油/富氧空气RDE，而此前的插塞式喷管和气动尖劈喷管研究仅限于气体燃料[38]、[44]。在相同工况下对比了设计压比为4、6和8的三种插塞式喷管，分离了设计压比对燃烧模式、推力、比冲和喷管效率的影响。采用基于等效面积法（EAP）的方法，从测量数据中确定每种喷管的过膨胀/欠膨胀过渡点，并将性能趋势与设计点偏差联系起来。这些结果支持将时间平均的稳态流动设计准则应用于液态燃料RDE，并表明过膨胀设计窗口优于单一设计点的理想膨胀。

章节摘要

实验装置

RDE实验系统包括推进剂供给系统、控制系统、数据采集系统和点火系统，如图1所示。推进剂供给系统包括空气、氧气、液态燃料以及预爆装置所需的H?和O?。实验过程中，空气、H?和O?分别储存于高压罐、高压氢瓶和高压氧瓶中，液态煤油则注入燃烧室

结果与讨论

如表1所示，本研究列出了实验工况概览。喷管的设计质量流量为137.7 kg·s?1·m?2，选取三种设计压比（4/6/8）进行喷管设计。实验中，推进剂质量流量范围为98至160 kg·s?1·m?2。在此范围内选取七个等距点进行实验。根据前人研究[34]、[48]，氧含量控制在

结论

本研究实验考察了采用不同设计压比插塞式喷管的液态煤油/富氧空气RDE，并验证了插塞式喷管设计准则在液态燃料系统中的适用性。主要结论如下：

• 1.
  插塞式喷管导致反射波的形成，使燃烧室内的流场更加紊乱。与无喷管构型相比，引入插塞式喷管消除了

CRediT作者贡献声明

刘玉强：方法论、形式化分析。韩新培：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、形式化分析、数据整理。孟华龙：撰写—审阅与编辑、方法论、形式化分析。郑全：撰写—审阅与编辑、监督指导、方法论、经费获取、形式化分析。王巧：方法论、形式化分析。翁春生：监督指导

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的公正性。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（批准号：12272185）和江苏省基础研究计划（批准号：BK20251016）的资助。

郑全|韩新培|孟华龙|刘玉强|王巧|翁春生